基于翻转课堂的单片机教学改革研究*



基于翻转课堂的单片机教学改革研究*

王娜

(福建师范大学福清分校 电子与信息工程学院，福建 福清 350300)

摘要:针对目前单片机原理教学中存在的问题构建了基于翻转课堂的单片机教学模型.该模型将线上学习与课堂学习有机地结合在一起，充分调动学生的积极性，让学生成为学习的主体.学生根据自身情况选择适合自己的学习方式，通过对以实践为主的微视频教程及其课件的学习弥补学时偏少的缺陷.翻转课堂突破了传统教学模式的局限性,增加了师生之间交流的时间，有利于培养学生的创新精神.

关键词:单片机； 翻转课堂；教学改革； 教学模式

翻转课堂颠覆了传统教学中的教师在课堂上传授知识、学生在课下完成作业的教学模式，将二者进行了转换.2007年，美国科罗拉多州落基山的“林地公园高中”的两位教师Jonathan Bergmann和Aaron Sams为了帮助课堂缺席的学生补课，采用了“翻转课堂”的教学模式，即让学生在家看他们上传的教学视频，回到课堂上师生共同讨论学习中的问题的方式[1].这对搭档发现翻转课堂能够帮助学生们理解和内化知识，改变了他们的教学实践.伴随着翻转课堂这一教学模式的成功运用，国内的一些高校也开展了基于翻转课堂的教学改革，但是将翻转课堂用于单片机教学的研究还较少.单片机课程内容晦涩难懂，新器件、新技术层出不穷，学生难以入门，是高等工科院校中公认的难教难学的课程之一[2].本文分析了目前单片机教学中存在的若干问题并设计了基于翻转课堂的单片机教学模型.

1目前单片机教学中存在的问题

单片机原理是电子信息类专业的主干课程，旨在通过教学让该专业的学生掌握单片机的基本原理和软硬件开发技术，提高其动手操作和技术创新的能力，为将来从事嵌入式开发等应用类工作奠定坚实的基础.然而在实际教学中却存在着一些问题，例如，学习者自身存在的差异使得分层教学在开展上有一定的难度.目前的单片机教学中普遍存在如下问题：

(1)忽略了学习者自身存在的差异.在当前的教学模式中，一名教师往往要面临着数十甚至上百名学生，课程学习以教师讲授为主，学生课下练习为辅.这种“灌输”式的教学方式忽略了学习者自身存在的差异，无法满足学生的个性化需求.由于学生年龄一般在18~24岁之间，他们在认知水平和学习习惯等方面表现出了一定的差异，单纯的知识讲授不能顺应学生发展的需要.部分学生基础较弱，缺乏学习的主动性，加之单片机课程涵盖了电路、数字电子、模拟电子和程序设计等多个学科，一些学生在一两次课程听不懂的情况下对该课程逐渐失去了兴趣.这就要求教师要针对学习能力不同的学生进行有针对性的教学，激发学生的学习兴趣并弥补其不足，让学有余力的学生发挥他们的优势，成绩比较差的学生树立学习的信心，鼓励学生利用学到的知识和技能去解决问题.

(2)过多的理论降低了学生的学习效率.单片机课程注重理论和实践性结合，如果教师一味在课堂上讲授过多的理论，学生会因为觉得枯燥而产生注意力分散的情况.特别是一些学生在课前没有阅读过课本，集中45分钟注意力听理论课对于他们来说是一件非常困难的事情.如果用单纯的文字代替实验，学生缺乏实验基础而只是一味地进行机械记忆，久而久之，学生的学习效果并不能令人满意.获得高分的学生的动手能力不一定很强，也就是说，此类学生对书本上的概念、原理只停留在记忆层面，而感性认识不能代替真正的体验.

(3)勉强接受的知识无法真正吸收.传统的教学模式下，教师批改作业采用了统一讲评的方式.为了节约课堂上的时间，教师往往把解题思路和步骤直接显示在幻灯片上给学生观看，学生机械地将答案记录下来.由于学生没有做过实验，只是勉强接受答案，他们无法理解题目的真正含义，不利于培养学生的独立思考能力.

(4)验证性实验偏多，开发性实验偏少.目前实验教学一般是一些验证性的训练，没有与具体的项目相结合.在理论课学时与实验课学时3：1的情况下，学生只需完成教师规定的几个实验，很少进行设计性的实验.教学所用的实验平台仍以仿真器和编程器为主，其中的一些部件在工程应用上早已经被淘汰了，导致实践能力的培养与人才需求结合不够紧密，不利于教学活动的开展.

(5)师生间的互动环节偏少.在传统的面对面教学中，教师的讲授占课堂的大部分时间，很少有时间与学生进行互动.特别是在实验教学的有限时间内，一位教师想对多名学生进行个别辅导是非常困难的.

(6)考核结果有失偏颇.当前的考核方式大多是以理论测试为主，学生为了应付考试不注重动手能力的训练.另外一些学生在实验课上存在复制他人程序的情况，这就给实验考核加大了难度.

总之，现行的教学方式由于存在局限性，不利于学习者个性的发挥和创新性人才的培养，教学改革势在必行.

2基于翻转课堂的单片机教学模式设计

2.1翻转课堂

翻转课堂(Flipped Classroom或Inverted Classroom)是指通过对知识传授和内化的颠倒安排，改变传统教学中的师生角色，并对课堂时间的使用进行重新规划，实现对传统教学模式的革新[3].也就是说，翻转课堂摆脱了传统的“教师讲课为先，学生消化知识在后”的教学模式的束缚，颠倒了二者的顺序，让学生根据自身的学习情况选择教学资源进行学习，学习的方式包括观看教学视频和网络课件、教师和学生互动等等.教师则利用课堂时间组织学习活动，教学的方式从讲授转变为引导，帮助学生理解单片机的原理.

2.2用任务驱动贯穿教学过程

任务驱动教学法又可称为行动导向教学法或项目驱动教学法.它是指在教学过程中，充分体现学生的学习活动与完成任务相结合，学生在教师的指导下，为完成一个具体的任务，积极主动地应用学习资源，自主探索和协同合作的学习方式[4].教师要根据教学内容向学生布置一定数量的任务，引导学生进行思考.学生通过分析、讨论得知应该做哪些事情，需要去学习哪方面的内容.学生在实践中得到的经验比单纯背书得到的知识更为宝贵.因为学生在尝试解决问题的过程中可能会遇到新的问题，即经历一个探究式的学习过程.在这个过程中，学生往往需要和其他同学互相交流，必要的时候请教师加以点拨.考虑到学生对知识的掌握情况不同，教师对不同认知水平的学生分配以不同难度的任务，用汇报或答辩的形式对学生的任务进展情况予以评价，这样可以避免有惰性的学生自己不去思考而过多或者完全依赖同组同学完成任务的情况出现.

2.3学生在课前观看微视频

学生根据自身情况通过移动终端如手机、IPAD或电脑等设备选择播放教师的微视频，遇到重点、难点的时候可以调慢播放速度或重复播放，直到听懂为止，在听的过程中完成笔记供讨论或复习使用.学生在一个轻松的环境中观看微视频，不必担心跟不上老师的讲课速度，因为视频的播放速度可以自行控制，明白的地方可以跳过，还可以在适当的时候暂停，对微视频中提出的问题进行认真思考.

学生在观看完微视频后要完成教师布置的作业，通过做作业加强对知识的内化.教师在作业题的设计上要区分层次，做到难易得当，以适用于不同学习水平的学生.

学生在观看微视频的过程中并不是孤立的.学生在学习的过程中需要沟通交流，同时教师也需要摸清学生的认知水平和学习进度并对其加强引导.课上的交流体现在学生汇报、小组讨论、教师或其他学生答疑和评价四个方面，具体由师生之间、学生之间和小组之间的交流互动环节实现.学生在这个过程中充分发挥了主观能动性，真正成为了学习主人.课下的交流主要通过网络交流平台实现.在线交流突破了空间的限制，一方面，教师针对学生提出的问题进行回答，另一方面，学生也可以与其他同学互动交流，共同提高.

2.4改革考核方式

以往的考试一般只考理论不考实验或者把笔试成绩的70%与实验成绩的30%求和作为该门课程的最终成绩.这样的考核方式导致了高分低能现象的出现.也就是说，一些学生为了追求高分数或者通过考试一味地背诵书本而忽视操作环节，虽然题目能答出来却不一定能够设计并实现实际的硬件电路.

为了培养学生的动手能力，将考核分为理论课考试和实验考试两部分.其中，理论课考试以闭卷考试的方式进行，一方面考查学生对基本概念的掌握情况，另一方面考查学生分析和应用的能力.比如考查由硬件电路分析端口地址并对可编程接口芯片进行初始化编程的题目，看学生能否分析出硬件地址并写出正确的程序.理论课考试成绩由平时成绩20%、期中笔试成绩的30%和期末笔试成绩的50%构成.实验考试分为仿真实验考试、实际操作考试和课程设计三部分，这三者的比重分别是20%、30%、50%.仿真实验考试用于考查学生运用Proteus和Keil的能力，题目不宜过难，时间控制在100分钟以内.实际操作考试在实验室进行，教师事先准备好十几套题目供学生抽取.实验考试的基本要求是测试学生对实验装置的熟悉程度，要求他们掌握单片机的基本工作原理和软件的编程方法.比如要求学生在100分钟以内实现16×16LED点阵显示的实验，这就要求学生掌握16×16LED点阵的工作原理和C语言的应用能力.课程设计一般历时两周，主要考核学生对单片机知识综合运用的能力.学生在选题之后，通过查找相关资料，在设计的过程中难免会遇到各种问题，在寻找解决方案的过程中有可能走弯路，这些对学生来说都是探索知识的过程.比如学生要做一个数字电子钟的设计并撰写课程设计报告.学生通过论证方案之后要画出系统原理框图，即总体设计，接着做出硬件系统和软件系统的设计.系统搭建完毕后要进行仿真测试，记录实验数据并做出误差分析.这些工作完成后要总结出该课题在硬件、软件设计的特点，考虑如何完善该系统并列出参考文献.学生通过撰写课程设计报告锻炼自己的文档书写能力，对于将来做毕业论文大有帮助.

实践证明，新型的打分方法大大优于单纯的闭卷考试，有利于加强学生对工程实践能力的重视和综合运用单片机知识的能力.

3构建基于翻转课堂的网络教学模型

如何更好地提高学生的学习能力和动手能力是每一位教师思考和面临的问题.如何让教师从单纯的课堂讲授和繁重的作业批改中解脱出来，让学生成为学习的主人也是师生亟待解决的问题.因此，开发一个基于翻转课堂的网络教学模型是非常有必要的.

3.1制作微视频

目前,我国的精品课程网站中提供了大量的课堂内容系统讲授、教学重难点解决、实验过程展示及教学辅助等类型的视频资源[5].微视频不同于普通意义上的在线视频.一些在线视频的时间在40分钟到2小时之间，特别是一些课堂实况的录像，存在着针对性不强、内容杂乱无章的问题，不利于自学.在翻转课堂的教学模式下，教师要花费大量的时间和精力制作时间长度在十分钟左右的微视频并上传到云计算网络教育平台供学生观看、学习.单片机教学微视频分为基础视频、实验视频和开发视频.

为了明确教学重点、突出难点，教师在制作教学微视频时可以选择合适的录屏软件，以WORD或记事本为电子白板，将问题的分析过程有序地呈现出来，并配有语音讲解，教师个人的影像不必出现在微视频中.教师在录制微视频的过程中，可以按需要插入一些精心设置的问题，帮助学生进行探究式学习，培养学生独立分析和思考的能力.另外教师要注意的是，一定要在安静的环境中进行视频的录制，避免在微视频中出现杂音分散学生的注意力.教师在录制好视频后可以请部分学生观看，请他们提出修改意见，便于教师进行后期制作.为了让学生看到教学微视频，教师可以将微视频发布到校园多媒体中心，学生可以通过登录账户的方式进行观看和交流.

3.2使用仿真软件

PC机上构建的虚拟单片机仿真平台能够使学生在没有硬件条件的情况下完成电路的搭建和程序的调试等实验.教师需要对单片机仿真软件如Proteus的使用方法进行演示，设计一些实验环节供学生练习.Proteus软件内置了丰富的器件库，用户还可以方便地创建新的元器件.它能够实现数字电路和模拟电路的混合仿真，不但支持汇编语言的编译，还提供了Keil、Hitech等接口，突破了传统实验中使用单片机实验箱的局限性，有利于学生理解单片机的工作原理.学生通过在软件上画出器件并连线即可完成电路图的设计，避免了因检查焊接点是否牢固导致实验失败的麻烦，同时降低了实际电路搭建完毕后由于产生的短路等不正确操作规程而造成的元器件消耗.学生使用Proteus软件可以自由地设计一些虚拟硬件实验，通过软件编程和电路搭建完成仿真和测试，有利于发挥其创造性.教师在讲授单片机A/D转换接口电路的时候，可以通过布置一个小型的任务来锻炼学生编写C程序的能力.教师可以让学生运用Proteus和Keil做一些仿真实验，如利用单片机芯片AT89C51与A/D转换器件设计一个数字电压表并实现.学生首先用Proteus设计出电路图，然后用Keil软件进行编程，通过对软硬件的共同调试完成用四位数码管显示5V以内直流电压值的实验.再比如让学生根据自身的情况拟定课程设计的题目，必要的时候两人一组，通过合作完成方案的设计，这样做的好处是有利于培养学生的参与意识和协作精神.当然，仿真软件不能完全代替硬件实验.学生利用软件的仿真结果进行硬件电路的搭建和程序的调试，克服了理论和实际脱节的缺陷，加强了动手能力的培养，同时有助于实验室减缓硬件的磨损速度.

3.3建立完善的约束机制

将教学活动由课堂上改为课堂外，对于学习主动性较强的学生来说节约了听课时间，提高了学习效率.但是对于一些学习主动性较差的学生来说，如果没有一种约束机制督促他们按时完成作业的话，翻转课堂的效果自然就会降低.这就要求网络教学平台应该有完善的记录功能，如记录学生登录的次数，以及时长、学生与教师或其他同学在论坛上交流的次数等[6].

为了防止学生作弊，可以让他们将汇报视频(包括讲述自己作业的解题思路或作品的设计过程等)上传到网络教育平台.教师对这些视频审核通过以后将其发布到论坛供交流使用.

4结束语

单片机课程是培养电子信息相关专业学生的动手能力和创新意识的主干课程，实验教学也同样不容忽视.本文针对目前单片机教学中存在的问题构建了基于翻转课堂的单片机网络教学模型，阐述了通过教师制作单片机教学微视频、学生观看微视频并汇报学习成果、开展课堂讨论等环节对传统的教学模型进行改革的方案.翻转课堂教学法以学生为主体，让学生在约束机制的激励下完成个性化学习，将理论与实践相结合，有利于其工程素质的培养.当然，翻转课堂在具体的实施过程中难免存在着一些需要思考的问题，如：教师要花大量的时间和精力去设计微视频和课上、课下的任务导航，这无疑增加了备课的难度；学生需要在课外观看微视频等教学资源并完成任务，这对学生的学习自觉性有很高的要求.因此，翻转课堂的教学改革还需要教育工作者的进一步研究和探索.

参考文献：

[1]Jonathan B,Aaron S. Flip your classroom: reach every student in every class every day[M]. Eugene, OR: International Society for Technology in Education, 2012.

[2]徐进强，左翠红.单片机技术任务驱动式教程[M].天津:天津大学出版社,2010.

[3]沈书生,刘强,谢同祥.一种基于电子书包的翻转课堂教学模式[J].中国电化教育,2013(12):107-111.

[4]王忠诚，王逸轩.任务驱动学电子元器件[M].北京:电子工业出版社,2012.

[5]张新明,何文涛.支持翻转课堂的网络教学系统模型探究[J].现代教育技术,2013(8):21-25.

[6]李宝庆，胡亚慧.在社会网络理论视域下教师专业发展的立体化路径[J].现代中小学教育,2014(09).

(责任编辑:王前)

Research on Single-chip Microcomputer Teaching Reform Based on Flipped Classroom

WANG Na

(CollegeofPhysicsandInformationEngineering,

FuqingBranchofFujianNormalUniversity,Fuqing,Fujian350300,China)

Abstract:The single-chip microcomputer teaching model is established based on the existent problems in the single-chip microcomputer teaching. The combination of online learning and academics plays a key role in improving the enthusiasm of students and letting them shift from passive learning to active learning. Depending on their situations, the students obtain knowledge through the micro video based on practice and other instructional resources to make up for the defect of less teaching hours. The communication between teacher and students has increased. The flipped classroom, which breaks through the limitation of traditional teaching patterns, make the students'innovation inspirit develop.

Keywords:single-chip microcomputer; teaching reform; teaching model; problem-driven

中图分类号：G420

文献标志码：A

文章编号：1008-7974(2015)06-0090-04

作者简介：王娜，女，河北保定人，副教授.

基金项目：福建省中青年教师教育科研社科A类项目“2014年福建省高等学校教学改革研究专项”(JAS14789)

收稿日期：*2015-06-26

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.12.029